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51分で互いに回り合う「激変星」が発見された

白色矮星(右)が太陽のような大きな星(左)を超短時間で周回し、「激変」する連星系を形成している様子を描いたイラストレーション (Image Credit: Credit: M.Weiss/Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian)

私たちは、太陽についてあまり心配する必要はない。太陽は私たちの肌を焼いたり、電気系統を損傷するような強力な帯電物質(太陽嵐)を放出することがある。しかし、太陽は単独で存在し、物事をより単純化し、予測可能にしてくれる。

だが他の星では、連星として互いに関係し合っているものもある。新しい研究では、51分ごとに公転するほど互いに接近した連星ペアが発見され、連星系ではこれまでで最も短い公転となった。これは、連星系としてはこれまでで最も短い軌道である。

このように互いに接近している星は、激変星と呼ばれる。この連星系では、主星は白色矮星で、もう一つの星は太陽のような星だが、もっと古い星です。白色矮星は地球ほどの大きさの小さな星だが、密度が非常に高いのだ。白色矮星の強力な重力は、伴星であるドナー星から物質を引き離す。その物質が白色矮星の周囲に降着環を形成する。このとき、円盤が加熱され、白色矮星に物質が降り注ぐと、不定期に明るい閃光が発生する。

白色矮星である「吸血鬼星」がドナー星から物質を引き寄せるためには、激変する変光星の星々は近くになければならない。天文学者は1,000個以上の激変星を知っているが、75分より短い軌道を持つものはそのうちの12個に過ぎない。しかし、この研究の著者らは、これまでに最も近い軌道を発見した。この星のペアは、1つの軌道を終えるのにわずか51分しか必要としない。これはまれなことで、この連星ペアは天体物理学のミッシングリンクの証拠となる。

この研究は、「51分の軌道周期の食連星における0.1太陽質量の高密度星」であり、雑誌「ネイチャー」に掲載された。筆頭著者はMIT物理学部のケヴィン・バージ(Kevin Burdge)氏。この研究の対象となる星は、ヘルクレス座の方向へ約3000光年の距離にある。

これらの星は、長い物語の終着点にある。約80億年前から一緒に過ごしてきた仲間だが、その歳月はそれぞれ異なっている。1つは白色矮星で、主系列星が赤色巨星の段階を経て、現在は超高密度で核融合していない物質の核に過ぎない恒星の名残りだ。一方は主系列星が赤色巨星を経て白色矮星となった残骸で、核融合を起こしていない超高密度の物質でできている。しかし、既存の白色矮星は、ゆっくりとそれを消費することによって、その道を中断している。

その白色矮星は、太陽と同じくらいの温度だ。しかし、その質量は失われ、直径は太陽の10分の1、つまり木星ほどの大きさしかない。「この星は太陽のように見えましたが、太陽は8時間より短い軌道には乗れません。」とバージ氏はプレスリリースで述べている。白色矮星はさらに小さく、その直径は地球の約1.5倍で、物質が密集しているため、質量は太陽の約56%であることがわかる。奇妙な天体だ。

これまでにも日食連星は発見されているが、これほど接近しているものはない。この連星は非常に接近しているだけでなく、我々から見ると互いに食の関係になっている。このため、研究者は食を観察し、両方の星を正確に測定する機会を何度も得ることができた。

この連星は、ZTF J1813+4251 と名付けられた。ZTF は Zwicky Transient Facility の略で、変光星のような過渡現象を探すために北天を光学的に研究している注目すべき官民パートナーシップだ。しかし、この名前はそれほど重要ではない。むしろ、科学者たちが注目するのは、このペアが置かれている特殊な状況なのだ。

研究者たちは、吸血星がドナー星から水素を奪っていること、そして今、ヘリウムを奪い始めていることを発見したのだ。「これは、水素からヘリウムへの降着に切り替わる段階で、これらの星系の1つを捉えた珍しいケースです」と、主執筆者のバードジ氏は言った。

水素からヘリウムへの降着に切り替わる連星を観測することは、天体物理学のミッシングリンクであるため、非常に重要である。しかし、これらの連星がどのようにして水素からヘリウムに切り替わるのかを示す明確な証拠はなかった。

この研究以前は、ヘリウム激変星における水素降着からヘリウム降着への進化は不明だった。このような星は、これまで一度も観測されたことがなかったのだ。しかし、ZTF J1813+4251の観測によって、その状況が一変した。観測の結果、この星は太陽と同じくらいの温度だが、密度が100倍も高いことがわかった。この密度は、この星がヘリウムに富む組成であり、白色矮星の伴星が水素ではなくヘリウムを吸収していることを意味する。

科学者たちは、連星がその軌道が超短距離になるまで縮小し、激変する可能性があることを数十年前に予測していた。白色矮星が太陽のような星の水素を消費するとき、より高密度のヘリウムが残される。太陽型星が燃え尽きると、ヘリウムの核が残される。ヘリウムのコアは、死んだ星が軌道を維持するのに十分な重さである。

これまで繰り返されてきた日食の観測は、ほんの始まりにすぎなかった。研究者たちは、より正確なデータを集めて、この星がどうなるかをより精密にシミュレーションした。このシミュレーションの結果は、激変する恒星とその軌道の縮小に関する長年の疑問に答えるものだった。

シミュレーションの結果、約7000万年後にペアはさらに接近し、軌道周期がわずか18分になることがわかった。その時点で、ヘリウム激変星の連星になるのだ。この遷移は、「…ヘリウムCV連星と水素リッチCVの間のこれまで欠けていたリンクである」と著者らは書いている。

下の画像で、オレンジ色の点線、赤色の点線、青色の点線は、ドナー星がWD伴星に質量を奪われ始めた時期によって、異なる進化の軌跡を表している。オレンジは主系列寿命の97%、赤は95%、青は94%で開始した時だ。赤線上の黒い星が、ZTF J1813+4251 の位置だ。(紫線は、比較のために El Psc という別の遷移型 CV と思われる星の進化の軌跡を示している)。

研究チームのシミュレーションでは、

(a)の連星が進化する道筋が描かれている。連星が接近するにつれて質量放出が加速され、ドナー星は質量放出に対応しようとするため温度が上昇する。そして、最後の水素が融け出すと温度が下がる。軌道周期が短くなり、質量を失った星は膨張し、膨張により断熱的に温度が下がる。このとき、連星はヘリウムCVとなる。

helium CV temp

(b)は、連星が約7500万年後に周期約18分の最小値に達する様子を示している。その後、3億年かけて周期が約30分になるまで離れていく(Y軸は1億年刻みで、ラベルはついていない)。

Helium CV orbital period

c)は軌道周期に関連したドナー星の質量の変化を示しており、ヘリウムCVとして軌道周期が長くなるにつれて、太陽質量のわずか数百分の一の質量に達する。

Helium CV mass

d) は、ドナーがヘリウム CV になる過程で、どのように水素を失っていくかを示している。この星は、最小軌道周期付近で水素をすべて失う。

Helium CV hydrogen

重力波もこの研究の一翼を担っている。バージ氏の専門は、天体物理学的な重力・電磁波の発生源だ。重力波は2015年に初めて測定されたが、それ以前から予測されていたもので、天文学の重要な研究分野となっている。「重力波は、全く新しい方法で宇宙を研究することを可能にしています。」とバージ氏は述べている。

この連星ペアは、互いにこれほど接近して重力波を放射するはずだ。重力波を放出するためには、非常に接近していなければならないが、近すぎてはいけない。約1万km離れたところで合体して爆発し、重力波の放出が終わる。「これらの天体は超短軌道に移行すると予測されており、検出可能な重力波を放出できるほど短周期になるかどうかは長い間議論されていました。今回の発見で、その疑問が氷解しました」とバージ教授はプレスリリースで述べている。

バージ氏と彼の同僚は、この連星ペアを見つけるために努めた。彼らはZTFのデータを精査し、1時間以内に繰り返し点滅する変光星を探した。これは、連星が互いの軌道を交差しており、軌道周期が短いことを示す信号だ。まず、10億個以上の星のZTFのデータをアルゴリズムで検索した。その結果、約1時間おきに点滅する星が約100万個見つかった。そして、その中から興味深い信号を探し出した。

そして、最終的にZTF J1813+4251に行き着いたのだ。「51分ごとに日食が起こっているのが見えて、これは間違いなく連星だと思いました」とバージ氏は言う。

「これは特別な星系です。私たちは、大きな未解決問題の答えであり、知られている中で最も美しい振る舞いをする変光星の1つである星系を見つけることが出来て、二重に幸運でした。」

研究の要旨

水素を多く含む星から白色矮星を降着させる変光星は1000個以上知られているが、その中で軌道周期が75分以下の天体はわずか10数個しかない。このような短周期を実現するためには、白色矮星と相互作用する前にドナー星がかなりの核進化を遂げていることが必要で、これらの天体はヘリウム降着に移行することが期待されている。このような過渡的なCV(cataclysmic variable)は、ヘリウムCVの前駆天体であると提唱されている。しかし、ヘリウムCVの大部分を占めるほど短い軌道周期に達する遷移型CVは知られておらず、この進化経路の役割は不明なままだ。今回、我々はZTF J1813+4251の観測を行った。この連星は、太陽と同程度の温度を持ち、ヘリウムに富む組成のために100倍以上の密度を持つ星が、白色矮星に付加している51分軌道の完全食近傍星系だ。位相分解スペクトル、マルチバンドライトカーブ、広帯域スペクトルエネルギー分布から、両成分の質量、半径、温度に関する精密で強固な制約を得ることができた。進化モデルにより、ZTF J1813+4251はヘリウムCV連星となり、軌道周期が20分以下になることが示され、ヘリウムCV連星と水素豊富なCVの間のミッシングリンクとなった。

この記事は、Universe Todayに掲載されたものを、クリエイティブ・コモンズ・ライセンス(表示4.0 国際)に則り、翻訳・転載したものです。元記事はこちらからお読み頂けます。

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この記事を書いた人

TEXAL管理人。学校の授業でMS-DOSを使っていたくらいの年代。Windows95の登場で衝撃を受け、テクノロジー業界に興味を持つ。以来ガジェット・ゲーム情報を追い続けてうん十年。大学では物理を専攻していたこともあり、物理・宇宙関係の話題も大好き。

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